DE3507820C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Meßwertaufnahme nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Vorrichtungen zur kapazitiven Meßwertaufnahme, so­ genannte kapazitive Wandler, werden beispielsweise zum Messen der auf einen Körper einwirkenden Kraft ver­ wendet. Der kapazitive Wandler weist einen Kondensator auf, dessen eine Kondensatorplatte bewegbar ist und mit einer seismischen Masse versehen ist. Wenn auf den Wandler ein Druck oder eine Kraft ausgeübt wird, bewegt sich die seismische Masse, was eine Abstandänderung der Kondensatorplatten und damit eine Kapazitätsänderung des Kondensators zur Folge hat. Ebenso können mit kapa­ zitiven Wandlern Beschleunigungen, die einen Körper infolge einer auf ihn wirkenden Kraft erfährt und durch Integration der Beschleunigung die Geschwindigkeit des Körpers sowie durch nochmalige Integration der zurück­ gelegte Weg ermittelt werden. Kapazitive Wandler werden insbesondere bei der von Robotern gestützten Her­ stellung von Produkten, wie Automobilen und in den An­ triebssystemen und Lenkwaffen der unterschiedlichsten Art eingesetzt. Die Hauptforderungen, die an kapazitive Wandler gestellt werden, sind geringe Herstellungs­ kosten, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Empfindlichkeit für Erregungen innerhalb eines sehr großen Meßbereichs sowie die Möglichkeit des Einsatzes unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen.

Ein kapazitiver Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus US-PS 44 35 737 bekannt. Der kapazitive Wandler weist zwei feststehende parallele Kondensatorplatten auf, zwischen denen eine bewegbare Kondensatorplatte aus Silizium mit einer seismischen Masse angeordnet ist, so daß sich zwei Kondensatoren mit jeweils einer feststehenden und einer bewegbaren Kondensatorplatte ergeben. Die bewegbare Kondensator­ platte ist in ihrem mittleren Bereich zwischen den beiden feststehenden Kondensatorplatten eingeklemmt. Um diesen mittleren Bereich herum weist die bewegbare Kon­ densatorplatte einen Ringbereich mit einer äußerst ge­ ringen Dicke auf, der als Membranfeder wirkt und von einem Rahmen mit größerer Dicke, der die seismische Masse darstellt, umgeben ist. Die bewegbare Konden­ satorplatte ist einstückig ausgebildet, wobei ihr Rahmen federnd von der Membran gehalten ist. Die fest­ stehenden Kondensatorplatten und die diesen gegenüber­ liegenden Flächen des Rahmens sind mit Abstand zu­ einander angeordnet. Wirkt auf den kapazitiven Wandler eine Kraft ein, so wird der Rahmen aus seiner Ruhe­ position ausgelenkt, wobei sich der Abstand zwischen dem Rahmen und den feststehenden Kondensatorplatten verändert, was eine Kapazitätsänderung zur Folge hat. Der kapazitive Wandler weist kleine Abmessungen auf und wird in Silizium-Technologie gefertigt. Die Bewegung der seismischen Masse wird von den Luft- bzw. Gas­ kissen, die sich in den Zwischenräumen zwischen der seismischen Masse und den feststehenden Kondensator­ platten befinden, stark gedämpft. Wenn die seismische Masse zu einer Kondensatorplatte hin ausgelenkt wird, kann das Gas nicht schnell genug aus dem kleinen Zwischenraum abströmen. Umgekehrt kann bei der Zurück­ bewegung der seismischen Masse neues Gas nicht schnell genug nachströmen. Der kapazitive Wandler ist daher relativ unempfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapa­ zitiven Wandler nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 zu schaffen, bei dem sich die seismische Masse unter kontrollierter Dämpfung bewegen kann, um die Genauigkeit der kapazitiven Umwandlung zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem kapazitiven Wandler, der die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen kapazitiven Wandler weist die Oberfläche der seismischen Masse mindestens ein Durch­ gangsloch auf, von dem aus sich mehrere Gräben in der Oberfläche der seismischen Masse erstrecken. Die Gräben haben dabei einen sich mit zunehmender Entfernung vom Durchgangsloch verringernden Querschnitt. Durch das Loch bzw. den Durchlaß strömt das die seismische Masse umgebende Gas bzw. Fluid hindurch, wenn sich die seis­ mische Masse infolge einer Krafteinwirkung hin- und herbewegt. Die Gräben bzw. Kanäle in der Oberfläche der seismischen Masse leiten je nach Bewegungsrichtung der seismischen Masse den Fluidstrom zu dem Durchlaß hin bzw. von diesem weg. Der hauptsächliche Strömungs­ widerstand, der dem Fluidstrom bei Bewegung der seis­ mischen Masse entgegensteht, liegt in den verteilten Kanälen. Dieser Strömungswiderstand wird durch Dämpfen in dem Durchgangsloch der seismischen Masse kon­ trolliert vergrößert.

Das Durchgangsloch in der seismischen Masse und die Vielzahl der auf der Oberfläche der seismischen Masse ausgebildeten Führungskanäle mit ihren sich zum Durch­ gangsloch hin vergrößernden Querschnitten gewähr­ leisten, daß das Fluid zwischen der seismischen Masse und der feststehenden Kondensatorplatte bei Erregung der seismischen Masse schnell abströmen und schnell nachströmen kann. Die Ausgestaltungen von Durchgangs­ loch und Gräben der seismischen Masse werden mittels reproduzierbarer und in der Silizium-Technologie gebräuchlicher Ätzvorgänge bestimmt. Durch die Anzahl und die Ausgestaltung der Durchgangslöcher und die Aus­ gestaltung der Gräben kann daher die Dämpfung sehr genau eingestellt werden, so daß kapazitive Wandler mit einem vorgegebenen Übertragungsgehalten oder einer vor­ gegebenen Ansprechcharakteristik entstehen, wobei eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Genauigkeit gewähr­ leistet sind.

Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 weist die seismische Masse mehrere Er­ hebungen auf, die als Anschläge dienen und über die Oberfläche verteilt angeordnet sind. Im Überlastfall verhindern die Anschläge das elektrische Kurzschließen der Platten. Außerdem verhindern sie zwei Arten von Halteeffekten, die sich infolge eines Überlastfalles einstellen können. Bei sehr empfindlichen kapazitiven Sensoren kann die Kraft, mit der sich die bewegbare und die feststehende Kondensatorplatte aufgrund der elek­ trischen Vorspannung oder der Trägerspannung des Sen­ sors anziehen, die Federkraft der die seismische Masse haltenden Membran übersteigen, wenn sich die seismische Masse sehr nahe an der feststehenden Kondensatorplatte befindet. Die seismische Masse kann daher an der fest­ stehenden Kondensatorplatte haften bleiben. Ein solcher Halteeffekt wird durch die Erhebungen, die die Konden­ satorplatten im Überlastfall auf einen Mindestabstand halten, verhindert. Die Höhe der Erhebungen kann bei­ spielsweise so gewählt sein, daß der Halteeffekt auch bei einer Spannung von 5 Volt verhindert wird, wobei die Biegesteifigkeit der Membran so bemessen ist, daß sie als Antwort auf eine Beschleunigung von 1 G einen Weg von 2,54×10^-2 µm zurücklegt.

Bei einer anderen Art von Halteeffekt wird die seis­ mische Masse "pneumatisch" von der festen Kondensator­ platte festgehalten. Werden nämlich zwei flache Platten sehr eng zusammengebracht, so steigt der Strömungs­ widerstand, der sich zwischen diesen Platten bildet, stark an. Bei empfindlichen Sensoren kann es einige Zeit (mehrere Sekunden) dauern, bis das Gas in den Zwischenraum zwischen feststehender Kondensatorplatte und seismischer Masse nach einem Überlastfall zurück­ geströmt und damit die seismische Masse wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehrt ist. Die über die Ober­ fläche der seismischen Masse verteilten Anschlagpunkte halten den Raum zwischen der seismischen Masse und der feststehenden Kondensatorplatte offen und ermöglichen den sicheren Durchfluß des Fluids und die schnelle Rückstellung der seismischen Masse.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 und 5 angegeben.

Gemäß Anspruch 6 ist die bewegbare Kondensatorplatte in einer aus mehreren Schichten bestehenden Sandwich- Struktur angeordnet. Die bewegbare Kondensatorplatte befindet sich dabei zwischen zwei Außenschichten, wobei sich ein Hohlraum bildet, in dem die seismische Masse angeordnet ist. Die zu beiden Seiten der seismischen Masse befindlichen Teilhohlräume stehen somit über die Durchgangslöcher miteinander in Verbindung. Bei Be­ wegung der seismischen Masse erfolgt stets ein Gas- bzw. Fluidaustausch zwischen den beiden Teilhohlräumen. Da der so ausgebildete kapazitive Wandler ein zu allen Seiten geschlossenes Gehäuse aufweist, ist er vor Ver­ unreinigungen weitestgehend geschützt.

Nach Anspruch 8 weisen die elektrischen Kontaktierungen der bewegbaren Kondensatorplatte vorteilhafterweise Erhebungen in Form von kleinen Knöpfen, Leisten, Stäben oder sonstigen Vorsprüngen aus Silizium auf, die ein­ stückig mit der bewegbaren Kondensatorplatte sind und gegen einen Aluminiumfilm an der gegenüberliegenden Schicht der Verbundstruktur drücken. Hierdurch werden die Erhebungen bei elastischer Verformung des darunter­ liegenden Materials zusammengehalten, so daß eine stabile Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen erzielt wird.

Durch die Erfindung werden hochempfindliche kapazitive Wandler mit kleinen Abmessungen geschaffen, die in Silizium-Technologie gefertigt werden können und gleichförmige mittels Ätzen entstandene Flexuren haben.

Bei der Herstellung des aus Silizium bestehenden kapa­ zitiven Wandlers ist zu beachten, daß der Abstand zwi­ schen der feststehenden und der beweglichen Konden­ satorplatte des fertiggestellten Produkts innerhalb einer Toleranz von ±10% liegt, während die Membran eine Dicke aufweist, die innerhalb einer Toleranz von ±8% liegt. Darüber hinaus sollte die verbleibende Membran im wesentlichen in der Mittelebene der Siliziumscheibe angeordnet sein. Weiterhin muß die Breite der Kanäle auf der Oberfläche innerhalb einer Toleranz von ±15% liegen und die Kanäle an den Durchgangslöchern eine definierte Rundung aufweisen. Ebenso dürfen die Durch­ gangslöcher und Kanäle kein überhängendes brüchiges Material aufweisen. Die als Anschlagpunkte fungierenden Erhebungen auf der seismischen Masse müssen aus nicht­ leitendem Material bestehen, um anodenseitig angelegten Spannungen standzuhalten und sollten eine Dicke im Be­ reich von 0,6 bis 1,0 µm aufweisen. Schließlich müssen die Anschlußränder für den anodenseitigen Anschluß flach und glatt sein und es ist kein photolithographi­ scher Prozeß erlaubt, nachdem die Membran freigelegt oder fertiggestellt ist.

Das Ausgangsmaterial für die bewegbare Kondensator­ platte ist beispielsweise eine einkristalline Silizium­ scheibe vom N oder P Typ, die längs der Ebene (100) geschnitten ist und zur Richtung (110) unter einem Winkel von 0,7° steht. Die Anfangsdicke der Silizium­ scheibe beträgt 0,1905 mm+5,08 µm. Beide Seiten werden poliert und mit einer dünnen Oxidschicht von ungefähr 0,3 µm Dicke überzogen. Anschließend werden mittels Photolithograpie Indexmuster auf die vordere und die hintere Oxidschicht gebracht, und die offen­ liegenden Indexstellen werden reoxidiert. Dann werden die photolithographisch aufgebrachten Muster der Gräben, Kanäle und Löcher der bewegbaren Kondensator­ platte im Oxid auf der Frontseite und die der Löcher im Oxid auf der Rückseite freigelegt. Die Siliziumscheibe wird nun in einem Kaliumhydroxidätzbad bis etwas mehr als auf die Hälfte tief geätzt (0,09906 mm), um die Durchgangslöcher zu öffnen. Anschließend wird die Frontseite photolithographisch behandelt, wobei das verbleibende Oxid aus dem mittleren Bereich herausge­ nommen wird, die Randzonen jedoch unberührt bleiben. Danach werden mit Hilfe einer sehr genauen Oberflächen­ ätzung (z.B. Ionenstrahlfräsen) 3,5 µm ±10% des frei­ gelegten Siliziums der Frontseite abgenommen, so daß der Plattenabstand des Kondensators entsteht.

Danach liegt das verbleibende Oxid frei und beide Seiten werden mit einer starken Oxidschicht von unge­ fähr 0,6 µm Dicke reoxidiert. Die Rückseite wird photo­ lithographisch behandelt, um das Oxid nur auf den­ jenigen Bereiche, die in einem abschließenden Ätzvor­ gang angegriffen werden, zu belassen, und um das rest­ liche Oxid abzunehmen. Das gesamte freiliegende Sili­ zium wird anschließend mit Bor dotiert, bis in einer Tiefe von 2,2 µm die Borkonzentration mehr als 5×10¹⁹ l/cm³ beträgt.

Der Siliziumträger wird in einer trockenen O₂-Atmos­ phäre reoxidiert, um die effektive Tiefe, in der die Borkonzentration mehr als 5×10¹⁹ l/cm³ beträgt, auf 1,6 µm zu reduzieren. Die Schicht mit einer hohen Do­ tierung verläuft langsam nach innen und nach außen hin zu Schichten mit niedrigerer Dotierung. Die Oxidschicht sollte ungefähr 0,6 µm betragen. Anschließend wird ein photolithographischer Prozeß angewandt, um die An­ schlagpunkte aus Oxid auf der Oberfläche zu belassen, worauf im Anschluß daran das gesamte andere Oxid abge­ tragen wird. Schließlich wird der abschließende Ätzvor­ gang eingeleitet (Ethylendiamin/Brenzcatechin (EDB) Ätzung) um die übrigbleibenden Membranen aus Silizium, welches mit einer Dichte von mehr 5×10¹⁹ l/cm³ dotiert ist, freizulegen.

Die Deck- und Grundschicht der erfindungsgemäßen Sand­ wichstruktur werden vorzugsweise aus Hartglas herge­ stellt. Dazu wird ein Borsiliziumglas, vorzugsweise Pyrex verwendet. An das Glas wird die Bedingung ge­ stellt, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe bei dem des Siliziums liegt, so daß während des Abkühlens, nachdem die beiden Oberflächen miteinander verbunden worden sind, die Kontraktion des Glases un­ gefähr gleich der des Siliziums ist. Darüber hinaus sollte das Glas im Bereich der Temperatur von 450° bis 550°C, bei der die beiden Hälften miteinander verbunden werden, eine elektrische Leitfähigkeit von 10⁵ bis 10⁸ Ωcm haben. Schließlich sollte das Glas mechanische und chemische Stabilität bei Temperaturen unterhalb von 100°C haben. Die Basisschicht trägt die feststehende Kondensatorplatte des Kondensators. Diese kann ein dünner Metallfilm sein, der auf der der beweglichen Platte gegenüberliegenden Seite angebracht ist, und mit einem Ansatzstück zur elektrischen Verbindung versehen ist, welches durch eine Aussparung in der Berandung der mittleren Schicht (beweglichen Kondensatorplatte) hin­ durchragt. Diese Aussparung kann mit Lötglas versiegelt werden, um eine Verunreinigung des Inneren der Vor­ richtung zu verhindern. Die Deckschicht weist eine Aus­ nehmung auf, die dem mittleren Bereich der bewegbaren Kondensatorplatte gegenüberliegend angeordnet ist, um deren Bewegung bzw. die Bewegung der seismischen Masse zu ermöglichen. Diese beiden Pyrex-Teile können anodisch an dem mittleren Teil der bewegbaren Platte verbunden werden.

Alternativ können die Deck- und die Grundschicht zur Gewährleistung der Isolierung und der geringen kapa­ zitiven Kopplungen zwischen den Schichten prinzipiell aus Silizium mit Einbettung aus Pyrex oder ähnlichem bestehen. Ein Verfahren, um solche Zusammenstellungen aus Pyrex und Silizium herzustellen, besteht darin, daß man in das Silizium eine Vertiefung hineinätzt, die etwas tiefer ist als die gewünschte Dicke der Pyrex­ schicht. Dann wird die Pyrexmasse durch Sedimentation auf dem Silizium aufgebracht und verschmilzt zu einer festen Schicht aus Glas mit einer Dicke, die größer ist als die Vertiefungen tief sind.

Die Oberfläche der Siliziumscheibe wird dann grundiert und poliert, um das Pyrex von der unbehandelten Ober­ fläche des Siliziums zu entfernen, und um eine plane und glatte Oberfläche der Pyrexschicht in den Bereichen der Vertiefungen zu erstellen. Die Basisschicht, die die feststehende Kondensatorplatte darstellt, wird mit einem dünnen photolithographisch aufgebrachten Alu­ miniumfilm überzogen, um einfache Verbindungen sowohl mit der Basisschicht als auch mit der die bewegbare Kondensatorplatte darstellenden Schicht zu schaffen. Die Deckschicht benötigt eine Vertiefung, um die Be­ wegung der bewegbaren Platte zu ermöglichen. Eine solche Vertiefung wird zweckmäßigerweise durch Ätzen in dem EDB-Ätzbad erstellt, welches das Silizium aber nicht die Pyrexschicht angreift.

Es gibt zwei Gründe für die Verwendung außenliegender Siliziumschichten mit eingelagerten Pyrexschichten. Ein Grund ist der, um mit der feststehenden Elektrode aus der Ebene herauszukommen, und um damit die Notwendig­ keit einer Aussparung in den Verbindungsrand bzw. das Zustopfen dieser Aussparung zu vermeiden. Der andere Grund ist der, daß die Ungleichheit der thermischen Ausdehnung zwischen den einzelnen Teilen reduziert wird, indem man sie quasi alle aus einem Material macht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen näher ausgeführt.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht von unten auf die Kondensa­ torplatte, die den mittleren Teil der den kapazitiven Wandler bildenden Mehrschicht­ struktur darstellt,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt längs der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den kapazitiven Wandler, wobei die obenliegende Fläche der Mehrschichtstruktur dargestellt ist,

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Kern bzw. die Kondensatorplatte, bei der die Deckschicht bzw. oberste Schicht der Mehrschichtstruktur weggelassen worden ist,

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Deckschicht der Mehrschichtstruktur, wobei die mittlere Kondensatorplatte weggelassen worden ist,

Fig. 7 zeigt wie Fig. 1 eine Ansicht von unten auf den mittleren Teil der Kern- bzw. Kondensator­ platte der Mehrschichtstruktur bei entfernter Basisschicht,

Fig. 8 zeigt eine Ansicht der Basisschicht der Mehr­ schichtstruktur mit der nach innen zeigenden Fläche der Basisschicht, die der bewegbaren Kondensatorplatte gegenüberliegt, und

Fig. 9 ist eine Seitenansicht des kapazitiven Wand­ lers in Mehrschichtstruktur.

Für die Zeichnungen gilt, daß sich bei allen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile der Figuren beziehen. Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Kondensatorplatte bzw. auf die Kernplatte, die zwischen der Grund- und der Deckschicht liegt und somit eine Mehrschichtstruktur bildet, die als höchstempfindlicher kapazitiver Wandler benutzt werden kann. Die darge­ stellte Ansicht der mittleren Kondensatorplatte zeigt deren Unterseite, die der Grundschicht gegenüberliegt. Die Kondensatorplatte 10 weist die mittlere bewegbare Platte 15 auf, die kolbenartig in Richtung aus und in die Papierebene hinein bewegbar ist und umschlossen wird von der flexiblen Membran 11. Die außenliegende Oberfläche der Membran 11 ist mit dem Verbindungsrahmen 30 verbunden.

Eine Besonderheit hierbei sind die zahlreichen Perfo­ rationen bzw. Durchlässe 16, die querliegend über die Oberfläche der bewegbaren Platte 15 verteilt angeordnet sind. Diese Perforationen bzw. Durchlässe ermöglichen bei der Mehrschichtstruktur des kapazitiven Wandlers den Luftstrom von der Unterseite der Platte 15 zu ihrer Oberseite und zurück. Die Ausnehmung 12, die unterteilt ist von der Nut 18, befindet sich auf der Oberseite des Kondensatorkerns 10 in der Zone der bewegbaren Platte 15 und bildet einen Bereich einer tiefergelegenen Aus­ höhlung, die zwischen der Grundschicht der Mehrschicht­ struktur und der mittleren Kondensatorplatte 10 ge­ bildet wird. Außerdem formen die Oberflächenvertie­ fungen und/oder Nuten einen Führungskanal für den Luft­ durchfluß, um die Luft entlang der Oberfläche in Richtung der Perforationen 16 zu leiten. Dies dient der Sicherstellung eines rasch und genau geführten Luft­ stromes bzw. des raschen Rückstellens, wenn die sich gegenüberliegenden Platten nahe zusammenkommen. Auf der Unterseite der Platte 10 befinden sich Vorsprünge oder Noppen 22 zur elektrischen Kontaktierung mit einem gegenüberliegenden dünnen Metallfilm auf der gegenüber­ liegenden Grundplatte wenn die verschiedene Teile, die die Überlagerungsstruktur des kapazitiven Wandlers bil­ den, zusammengefügt werden. 24 ist eine Aussparung in der Platte 10, durch die ein Metallfilmkontakt der festen Platte hindurchgeführt werden kann.

Während der Bildung des Kernplattenteils 10 werden zahlreiche durch gegenseitige Abstände voneinander ge­ trennte Anschläge 14 über die Oberfläche des mittleren kolbenartig bewegbaren Plattenteils 15 erzeugt. Die Anschläge 14 sind dielektrisch und dienen somit der Verhinderung eines elektrischen Kontaktes der Platte 15 mit der gegenüberliegenden Oberfläche der feststehenden Grundschicht der Mehrschichtstruktur. Dieses verhin­ dert wiederum auch das pneumatische Aneinanderkleben, so daß die Luft schnell zwischen den Platten hindurch­ strömen kann.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den mittleren Plattenteil 10. Die Oberfläche 26 ist bis unterhalb der Randfläche 70 der Platte 10 geätzt. Bis zu einer etwas geringeren Tiefe sind die Reihen von Anschlägen 14 ge­ ätzt, die die Angriffsflächen der flexiblen kolbenar­ tigen Platte 15 bei ihrer Bewegung in Richtung auf die gegenüberliegende feste Kondensatorplatte darstellen, die durch die zu unterst liegenden Schicht der Über­ lagerungsstruktur gebildet wird. In gestrichelter Linie ist in der Oberfläche 26 der Platte 10 die Konfigura­ tion der Luftströmungsdämpfungskanäle 18 angedeutet. Von den Oberflächen 24 bzw. 26 verlaufen "Schrägen" 27, 29, die in die dünnere Membran 11 übergehen, an welcher die Platte 15 bewegbar aufgehängt ist.

Bei den so hergestellten Vorrichtungen sind die Abmes­ sungen der eingeätzten Vertiefungen äußerst gering. So kann die Ätztiefe der Oberflächen der Anschläge 14 und der Oberfläche 26 unterhalb der Oberfläche 70 eigent­ lich mit bloßem Auge aus Fig. 2 nicht erkannt werden. Des besseren Verständnisses wegen sind die Zeichnungen sehr übertrieben dargestellt. Die Gesamtgröße des hier beschriebenen Kondensators wird weiter unten angegeben.

Fig. 3 zeigt die gleiche Oberfläche 26 des Kondensators mit den Nuten 18. Dieser Schnitt ist durch ein Gebiet gelegt, das keine Perforationen aufweist.

Die Fign. 5 bis 9 zeigen die Mehrschichtstruktur des kapazitiven Wandlers. So zeigt zum Beispiel Fig. 9 die zusammengefügten Teile einschließlich der Basisschicht 56, der Kernschicht 10 und der Deckschicht 50.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die Sandwich-Struktur, einschließlich der außenliegenden Oberfläche der Deck­ schicht 50 zusammen mit dem Basiskontakt 38 und der Kernschichtkontaktierung 40. Wenn die Deckschicht 50 von der Oberfläche des mittleren Kernteils 10 abgenom­ men wird, ergibt sich für die innere freigelegte Ober­ fläche der Deckschicht 50 die Ansicht, wie sie Fig. 6 zeigt. Wie zu erkennen ist, erstreckt sich eine Rand­ zone in Form eines Pyrexfilms 52 um die äußere Ober­ fläche des Siliziumkristalls herum, der die Deckschicht bildet. Hierbei beträgt die Stärke des Pyrexfilms, der aus erstarrtem Pyrexgranulat wie zuvor beschrieben ent­ steht, nach dem Polieren und/oder Schleifen desselben ca. 10,16 µm. Der mittlere Teil 54 ist aus reinem Sili­ zium, das bezogen auf die sich berührende Oberfläche der Deckschicht 8,89 µm tief geätzt ist. Somit formt die geätzte und tiefer gelegene reine Siliziumober­ fläche einen Teil des Hohlraums der Mehrschichtstruk­ tur. Wird die Deckschicht 50 von der darunterliegenden Oberfläche der Kernplatte 10 entfernt, so ergibt sich die Ansicht der Kernplatte, wie sie Fig. 5 zeigt. Eine Vielzahl von Löchern bzw. Perforationen 16 ist auf der Oberfläche des Kernteils 10 auf dem beweglichen Plat­ tenteil 15 angeordnet, welcher auf der Membran 11 be­ wegbar gehalten wird.

Wird die Basisschicht 56 vom mittleren Kernteil ent­ fernt, ergibt sich die dem Kernteil zugewandte Ansicht der Basisschicht 56 wie sie Fig. 8 zeigt. In diesem Fall weist die Basisschicht 56 auch einen aus einem Pyrexfilm bestehenden Rahmen 58 auf, der in der gleichen Art wie der Pyrexfilmrand der Deckschicht der Mehrschichtstruktur entsteht. Kontakt 62 ist ein Me­ tall-Pyrexkontakt zur Platte 10 und ist gegenüber der Basisschicht 56 isoliert, wohingegen Kontakt 64 ein Metall-Siliziumkontakt für die Basisschicht 56 ist. Der aus reinem Silizium bestehende Teil 60, der eine feste Kondensatorplatte bildet, ist durch Ätzen um 3,048 µm tiefer gelegen, wie es für eine spezielle Dimensionie­ rung charakteristisch ist. Der geätzte und tiefer ge­ legene Teil bildet wiederum einen Teil des Hohlraums, in dem sich die Platte 15 der Mehrschichtstruktur ver­ formt.

Fig. 7 entspricht der Darstellung der Fig. 1 und zeigt die Unterseite des mittleren Kernteils 10 mit ent­ sprechenden Vertiefungen 32, 34 und 35. Diese Unterseite weist mehrere voneinander getrennte Erhebungen oder Leisten aus Silizium auf, die den Kontakt zum Bereich 62 auf der Basisschicht 56 herstellen. Zwischen die isolierten Vertiefungen 32 und 35 ragen schmale Leisten 33, um die Verbindung zu Kontakt 62 (Fig. 8) herzustel­ len. Die Vertiefung 35 erstreckt sich gänzlich durch die Kernplatte 10 hindurch bis in die Anschlußmulde 46 (Fig. 5) und ermöglicht zwecks optischer Ausrichtung die Draufsicht auf den Metallkontakt 62. Die unter­ schiedlichen Kontakte dienen zum Anschließen der Vor­ richtung, um die durch Veränderung der zu messenden Beschleunigung oder des zu messenden Drucks hervorge­ rufenen Kapazitätsänderung zu ermitteln.

Der kapazitive Wandler ist extrem klein. Beispielsweise gilt für die Größenordnungen, die bei der Produktion des kapazitiven Wandlers in Sandwich-Struktur benutzt werden, für die Dicke der Sandwich-Struktur 1,4605 mm. Nimmt man diese Abmessung für die Dicke an, so kann die Breite 2,6924 mm und die Länge 3,4798 mm betragen.

Wie sich aus dem Vorhergehenden ergibt, wird ein kapa­ zitiver Wandler oder ein Beschleunigungsmesser aus Si­ lizium geschaffen , der in Siliziumtechnologie herge­ stellt werden kann, bei dem die seismische Masse, ihre elastische Aufhängung, der Rahmen, an dem die Aufhän­ gung befestigt ist und die Einrichtung zum Gasdämpfen durch Ätzen auf einem Siliziumeinkristall hergestellt werden. Der Zwischenraum des Kondensators kann ebenso in den gleichen Siliziumteil hineingeätzt werden und entsprechende Gegenstücke bilden die zweite Konden­ satorplatte, die ebenfalls aus einem Siliziumkristall bestehen kann. Die Anordnung der einzelnen Teile hier­ bei schafft einen Beschleunigungsmesser, der sehr sta­ bil ist, weil seine grundlegenden Bestandteile alle aus einem Einkristall entstanden sind. Der Beschleunigungs­ messer kann trotz der Anforderung an die hohe Genauig­ keit und die Komplexität der Gasdämpfung wirtschaftlich produziert werden, weil eine große Anzahl identischer Komponenten auf einer Siliziumscheibe gleichzeitig her­ gestellt werden können.

Wichtig ist, daß ein zentraler Biegebereich an einer Platte geschaffen wird, die sich kolbenartig so bewegt, und daß Verkantungen der bewegten Masse als Folge einer Beschleunigung verhindert werden, wodurch verfälschte Signale auftreten würden. Der Sensor ist gasgedämpft und der hauptsächliche Strömungswiderstand für die Gas­ strömung befindet sich in den Ausbreitungskanälen, die auf der Oberfläche der Platte ausgebildet sind. Das Dämpfen in den Perforationen verhindert die Probleme früherer Vorrichtungen, selbst wenn es große zu be­ wegende Gasmengen zur Folge hat. Dabei verhindert die Anordnung wegen der Verwendung der über die Oberfläche der Vorrichtung verteilten Anschläge zusammen mit dem kontollierten Luftdurchfluß zwei Formen von Halteffek­ ten. Durch die gewählte Dicke der Anschlagpunkte wird das leichte durch elektrische Spannungsüberlastungen hervorgerufene Vorspringen der Membran verhindert, die die bewegbare Kondensatorplatte trägt. Daneben werden pneumatisch bedingte Halteeffekte dadurch verhindert, daß die Anschläge den Raum zwischen den sich gegenüber­ liegenden Kondensatorplatten offenhalten und damit den Gasfluß in den Zwischenraum und die schnelle Rückstel­ lung ermöglichen.

Die Erfindung ist nicht auf das aufgeführte Beispiel beschränkt, beispielsweise kann die Anzahl der Öff­ nungen 16 variiert werden, was von der speziellen An­ wendung der Vorrichtung abhängt und womit auch eine Variation der Größe und Anzahl der Kanäle 18 verbunden ist. Darüberhinaus können anstelle des Gebrauchs einer einzelnen unter Spannung stehenden Membran 11 zwei Teilmembranen ausgebildet werden, wobei jeweils eine auf jeder Oberfläche in der Mitte der Kernplatte 10 angeordnet ist.

Weiterhin kann ein symmetrisches System in Anlehnung an diese Erfindung aufgebaut werden, bei dem die zweite außenliegende Platte zu einem dritten kapazitiven Ele­ ment wird. Bei dieser Anordnung werden Gräben und An­ schläge auf beiden Oberflächen der seismischen Masse oder Platte ausgebildet. Die sich ergebenden Lücken auf beiden Seiten der Platte sind im wesentlich gleich.

Bezogen auf diese Anordnung kann ein Druckwandler der­ art ausgebildet werden, daß die zweite außenliegende Schicht als Kraftsummier-Zone dient, die mechanisch in Kontakt mit der seismischen Masse steht. Unter diesen Umständen werden von der Kraftsummier-Zone Verformungs­ kräfte an die Masse weitergegeben, die proportional zum einwirkenden Druck sind.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur kapazitiven Meßwertaufnahme, mit mindestens einem Kondensator, der eine fest­ stehende Kondensatorplatte (50; 56) und eine aus Silizium bestehende bewegbare Kondensatorplatte (10) aufweist, und einer auf der bewegbaren Kondensatorplatte (10) angeordneten seismischen Masse (15), die von einer Membran (11) derart gehalten ist, daß sie im wesentlichen senkrecht zur feststehenden Kondensatorplatte (50; 56) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (15) mindestens ein Durchgangsloch (16) aufweist und daß die der feststehenden Kondensatorplatte (50; 56) zugewandte Oberfläche der seismischen Masse (15) mit mehreren Gräben (18) versehen ist, die sich von dem Durch­ gangsloch (16) aus erstrecken und deren Quer­ schnitte sich mit zunehmender Entfernung vom Durchgangsloch (16) verringern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die seismische Masse (15) mehrere im Abstand zueinander angeordnete Durchgangslöcher (16), von denen aus sich jeweils mehrere Gräben (18) erstrecken, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (15) mit mehreren voneinander getrennten Erhebungen (14) versehen ist, die aus dielektrischem Material be­ stehen und bei starker Auslenkung der seismischen Masse in Richtung auf die feststehende Konden­ satorplatte (50; 56) an dieser anliegen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seis­ mische Masse (15) in der Mitte der Membran (11) angeordnet ist und daß die Membran (11) mit einem Trägerrahmen (30), der den Rand der bewegbaren Kondensatorplatte (10) bildet, verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Trägerrahmen (30), die Membran (11) und die seismische Masse (15) einstückig sind und aus einkristallinem Silizium bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Kondensator­ platte (10) zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht (50, 56) angeordnet ist, die gegenüber der bewegbaren Kondensatorplatte (10) elektrisch isoliert sind und jeweils in Berührungskontakt mit dem Trägerrahmen (30) der bewegbaren Kondensatorplatte (10) stehen, wobei die beiden Schichten (50, 56) und der Trägerrahmen (30) einen Hohlraum bilden, in dem die seismische Masse (15) angeordnet ist und sich ein Gas be­ findet, daß die erste Schicht (50) die fest­ stehende Kondensatorplatte aufweist und die zweite Schicht (56) die seismische Masse (50) umschließt und deren Bewegung von der ersten Schicht (50) weg begrenzt, und daß auf der bewegbaren Kondensator­ platte (10) und auf mindestens einer der beiden Schichten (50, 56) elektrische Kontaktierungen vor­ gesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Schicht (50) mit einem metallischen Film, der die feststehende Konden­ satorplatte bildet, versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen aus elektrischen Erhebungen auf der bewegbaren Kon­ densatorplatte (10) und einer verformbaren Metallschicht auf der mindestens einen Schicht (50; 56) bestehen.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schicht (50, 56) jeweils aus Bor­ siliziumglas bestehen und der Trägerrahmen (30) an seinem mit den beiden Schichten (50, 56) in Be­ rührung stehenden Flächen Borsiliziumglas auf­ weist.